[发明专利]一种航空发动机三维匹配迭代方法

说明书

本申请属于本申请属于三维仿真技术领域，特别涉及一种航空发动机三维匹配迭代方法，其特征是基于发动机各部件现有的三维仿真软件，通过回收各部件稳态计算结果，构建并求解平衡方程偏差函数，更新各部件边界条件，最终达到各部件的共同工作，本发明旨在解决整机三维稳态仿真技术方案中，匹配迭代计算精度低、效率低、收敛性差等技术问题，提供了一种能够真实有效地反映发动机三维流场、适合工程应用有效的新方法。

技术领域

本申请属于三维仿真技术领域，特别涉及一种航空发动机三维匹配迭代方法。

背景技术

航空发动机设计中，仿真技术可以有力推动发动机预先研究，对设计结果进行验证，减少设计缺陷和设计过程反复。整机三维仿真更加准确地模拟发动机各部件的真实工作环境。相比于整机零维仿真，三维仿真可以得到各部件内部流场分布，部件交界面为面场分布而非平均值，流场信息失真度小，边界条件更为接近真实流动情况，从而提升整机仿真准确性。

整机三维仿真核心技术是实现各部件的共同工作(即实现转速相等、流量连续、功率平衡，压力平衡)。在目前的仿真方法中，一种是进行发动机整体建模，在同一个软件中计算，这种方法完全通过求解三维N-S 方程来实现各部件工作点匹配，整机内的全部流场在每个时间步内完成一次计算，随着时间步的增加而不断迭代收敛。另一种是各部件三维计算与总体零维计算的耦合，各部件通过三维仿真得到全工况下的计算特性，修正总体零维的部件特性，通过总体零维匹配得到整机性能。而本发明介绍一种全三维稳态仿真匹配迭代方法，各部件三维软件计算的同时，利用匹配约束方程，在某个时机动态改变各部件边界条件，以实现整机三维仿真环境下的共同工作。

第一种方法，发动机整体建模，在同一个软件中计算进行流场计算，其缺点如下：

(1)计算精度低。由于整机中的所有部件在一个软件下仿真，仅能设置统一的数值计算模型和湍流模型。但各部件的流动情况不尽相同，如发动机主燃烧室一般为定压燃烧，可被视为不可压流体；风扇/压气机、高/低压涡轮进行气体的压缩和膨胀，主要涉及可压缩流体求解，因此采用相同的计算模型和湍流模型不适用。

(2)计算效率低。不同的部件网格尺度、网格量不同，当在同一个软件下计算时，计算迭代步长一致，因此对于网格量较少的部件，较小的迭代步长不适用，反而降低计算效率。如整机三维计算中，主燃烧室部件流动最为复杂，需要更密的网格和更小的迭代步长，因此在整机一体建模计算时，迭代步长受限于主燃烧室，导致其他部件计算效率低，占用计算资源较大。

(3)计算收敛性差。越为复杂的航空发动机整机计算，其迭代收敛性越差，如涡扇发动机收敛性弱于涡喷发动机，多轴发动机弱于单轴发动机。发动机一体化计算某个部件计算不收敛，将会导致整个计算过程崩溃，因此系统复杂度直接影响计算是否收敛。

第二种方法，各部件三维计算与总体零维计算的耦合，其缺点如下：

采用总体零维程序匹配迭代方法。总体零维计算结果作为部件输入条件，通过部件三维计算得到全工况的计算特性，对总体零维程序中部件特性图进行修正，修正后的结果通过总体零维匹配计算后，再次传递给部件进行计算，如此往复进行耦合迭代。但部件边界条件为总体计算平均值，未考虑部件之间的影响，总体与部件之间的特性修正迭代耗时较长，计算效率和准确性在设计中均不适用。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种航空发动机三维匹配迭代方法，包括，

步骤S1:航空发动机三维稳态仿真部件包括风扇、压气机、主燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、外涵道、加力燃烧室、喷管，每个所述航空发动机三维稳态仿真部件均对应一个不同的三维计算软件进行仿真计算，将所述三维计算软件与匹配迭代程序置于相同的计算集群环境中；